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        地球氣候變臉記

        2021-04-20 12:12:21
        奇聞怪事 2021年3期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)甲烷菌藍(lán)藻甲烷

        我知道,地球已有46億歲了,而人類不過是個250萬歲的“幼童”。在人類還沒出現(xiàn)的日子里,地球曾經(jīng)歷過哪些風(fēng)雨呢?

        全球空氣大換血

        距今27億年前,當(dāng)時的地球還是一個“血氣方剛”的青年,脾氣火爆,火山噴發(fā)、地震頻繁以及不時的“火并”事件(隕石撞擊)讓他顯得“生人勿進(jìn)”。此時的大氣組成也與其他星球沒有什么區(qū)別,以水、二氧化碳、氮氣、甲烷等為主,完全沒有氧氣,所以也只存在寥寥無幾的地球生命,幾乎都是厭氧的原核生物。

        但不久后,一種生物的出現(xiàn)改變了這種狀況,地球大氣的成分出現(xiàn)了變化,氧氣含量開始增加。在此后大約3億年的時間里,氧氣含量從約0.02%增加到了約1%~2%。從此,地球開始變得獨一無二:各種各樣的動物和植物開始出現(xiàn),變成了生命的樂園。

        這種改變世界的生物就是藍(lán)藻。

        當(dāng)時的地球上,陽光、水和占當(dāng)時空氣大部分比例的二氧化碳等光合作用所需的原料可謂取之不盡、用之不竭,因此,第一種可以進(jìn)行光合作用的生物——藍(lán)藻得以大展身手。不過,這個改變世界的過程并不順利,在光合作用出現(xiàn)后的很長一段時間里,大氣中都沒有什么氧氣。因為,古海洋中還存在著一種藍(lán)藻的競爭對手,那就是產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行呼吸作用,不斷制造甲烷,甲烷遇到藍(lán)藻產(chǎn)生的氧氣,就會反應(yīng)生成二氧化碳,氧氣根本沒有機(jī)會離開海洋進(jìn)入大氣。即使有少部分的氧氣逃離了海洋,也很快被巖石中的鐵和大氣中的氫等元素吸收了,并沒有發(fā)揮大作用。

        即使一直處于下風(fēng),藍(lán)藻也沒有放棄與產(chǎn)甲烷菌的競爭,3億年后,命運的天平終于開始向藍(lán)藻傾斜。隨著時間的推移,地球的“脾氣”慢慢變得溫和了,地殼運動趨于平緩,火山活動減少,在火山爆發(fā)過程中大量釋放的鎳元素也開始減少。鎳元素是產(chǎn)甲烷菌生存的必要元素,一旦鎳元素不足,產(chǎn)甲烷菌就會因代謝失衡而死去,因此產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量開始大幅下降。產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的減少給了藍(lán)藻發(fā)展壯大的機(jī)會,甲烷產(chǎn)量減少也使得與之反應(yīng)的氧氣數(shù)量減少,越來越多的氧氣能逸出海洋進(jìn)入大氣了。

        甲烷的減少還使得地球的溫室效應(yīng)進(jìn)一步減弱了,溫度下降,大雨頻頻。巖石表面的鐵氧化物和磷氧化物被雨水沖刷進(jìn)入了海洋,海水的富營養(yǎng)化進(jìn)一步促進(jìn)了藍(lán)藻的繁衍和生長,藍(lán)藻的數(shù)量第一次全面壓制了產(chǎn)甲烷菌,至此,地球大氣中的氧氣越來越多。

        當(dāng)然,打敗了產(chǎn)甲烷菌,還有許多生物靠吸入氧氣、呼出二氧化碳生活。再加上地球時不時地“鬧脾氣”,氧氣的增加并不是一條直線的。但無論如何,藍(lán)藻曾靠一己之力改變了地球大氣層。

        地球變成雪糕球

        6~7億年前,地球曾經(jīng)兩次變成一個大“雪球”。當(dāng)時整個地球都被冰雪覆蓋了,平均氣溫降到了-50℃。全球海洋遭到極端氣候影響,完全冰凍,冰蓋厚度可達(dá)上千米,這一狀態(tài)持續(xù)了數(shù)千萬年之久。

        為什么地球會被凍結(jié)?科學(xué)家們還沒有統(tǒng)一的答案,不過最廣為人知的理論認(rèn)為,二氧化碳大量減少是地球降溫的主要原因。

        在大約9億年前,地球只存在一個超級大陸——羅迪尼亞大陸。后來,羅迪尼亞大陸解體成了大量分散的小板塊,這些板塊的出現(xiàn)大大增加了地球上淺海的面積。淺海是藻類生物的發(fā)源地和聚集地,因此淺海面積的擴(kuò)大極大地增加了藻類的數(shù)量,許多二氧化碳被藻類的光合作用給消耗掉了。

        到了7.5億年前,解體的羅迪尼亞大陸重新匯聚,形成了岡瓦納超大陸,板塊碰撞處隆起了大批山巒。造山運動讓地勢迅速抬升,這讓地表巖石受到風(fēng)化的面積增加了,巖石在風(fēng)化過程中也消耗了大量的二氧化碳。在這種持續(xù)消耗二氧化碳的過程中,大氣中二氧化碳的含量迅速下降,帶來的后果就是氣溫驟降。

        在長達(dá)千萬年不見天日的冰天雪地中,以光合作用為主的生物大量滅絕,只有少數(shù)生活在火山附近、赤道附近淺海區(qū)的植物存活了下來。生物們在這些相隔甚遠(yuǎn)的點狀區(qū)域里茍延殘喘,獨自進(jìn)化,慢慢出現(xiàn)了生殖隔離,沒有辦法進(jìn)行基因交流。而區(qū)域內(nèi)的近親繁殖則使得生物的突變增加,生命力下降。

        不過,舊的不去新的不來,地球在凍結(jié)期間積累的物質(zhì)和能量催生了更多的新生命。大雪球時期,冰川不斷研磨和侵蝕著巖石,大量的巖石碎屑會隨著冰川水流入大海。這些富含氮磷元素的巖石碎屑是藻類最愛的美食,為藻類的復(fù)興奠定了基礎(chǔ)。作為生產(chǎn)者的藻類的興盛無疑能夠帶動整個生態(tài)系統(tǒng)的大爆發(fā)。此外,由于雪球時期,許多生物滅絕了,空出了新的生態(tài)位,人均能分到的生活空間和營養(yǎng)物質(zhì)更多了。多種因素作用下,生物的多樣性在雪球期后快速地恢復(fù)了。

        一場大雪后,整個世界都變了樣。

        持續(xù)百萬年的暴雨

        2.5億年前,地球生物陷入了低谷期,70%的陸生脊椎動物和96%的海洋生物在剛剛過去的大災(zāi)難中滅絕了。幸存下來的生物獨享了廣袤的土地和豐富的資源,眼看要過上好日子了。不料,好景不長,在2.34億年前,地球上突然下起了暴雨,這一下,就是幾百萬年,又有不少生物沒能熬過這場暴雨。

        當(dāng)時地球的陸地還是一塊整體,我們稱之為盤古大陸。海洋水汽很難穿越寬廣的盤古大陸進(jìn)入到內(nèi)陸,因此盡管沿海濕潤多雨,內(nèi)陸卻常年被炎熱與干旱所籠罩。干旱時間一長,地球就壓不住自己的“脾氣”了,大陸各地的火山開始爆發(fā),其中最嚴(yán)重的當(dāng)屬現(xiàn)今美國的阿拉斯加和加拿大的哥倫比亞省附近的蘭格利亞火山,它一噴發(fā)就是500萬年。

        恐龍在大暴雨中崛起

        蘭格利亞火山向大氣釋放了大量二氧化碳,溫室效應(yīng)明顯。通過對當(dāng)時化石的氧同位素分析,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),當(dāng)時全球氣溫上升了4℃~7℃。高溫使得更多的地表水蒸發(fā),還讓大氣水循環(huán)加速,更加猛烈的季風(fēng)終于將海洋水汽輸送到了內(nèi)陸,整個大陸都迎來了期盼已久的大雨。

        可是沒想到的是,這場雨一下就是幾百萬年,不僅讓陸地動物難過,連樹木都承受不住地“哭”了。德國哥廷根大學(xué)的植物學(xué)家萊拉·塞夫拉發(fā)現(xiàn),那個年代存在許多琥珀化石,這是因為植物分泌出了大量樹脂。而樹脂是植物在環(huán)境壓力過大的情況下分泌出來進(jìn)行自我保護(hù)的,比如大暴雨時油脂可以起到隔離水汽、防止?fàn)€根的作用。不過,樹脂并不是萬能的,除了部分針葉植物承受住了大雨的肆虐,其余的植物都死去了。以植物為食的陸地動物,比如當(dāng)時的世界霸主喙頭龍和二齒獸也因此走到了末路。

        海洋生物也難逃大雨的威力。在雨水的持續(xù)沖刷下,巖石碎屑和粘土物質(zhì)大量流入海洋,不斷吸收著海洋中的氧氣。再加上二氧化碳和甲烷使得氣溫升高,高溫導(dǎo)致氧氣逸出,海水含氧量下降,厭氧細(xì)菌開始在海洋中大量生長,釋放出大量甲烷和硫化氫等氣體。海洋中的植物和動物無法適應(yīng)高溫缺氧的環(huán)境,紛紛倒下了。

        不過,這場大暴雨后,也誕生了新的世界霸主——恐龍。在暴雨剛開始下的時間對應(yīng)的巖石層里,恐龍化石占所有陸地脊椎動物的5%,但是到了暴雨快下完的時候,這個比例飆升到了90%。此外,在這場幾百萬年的雨落下之前,恐龍的祖先蜷縮在盤古大陸最南端,但是雨下完后,它們的足跡遍布了全世界。

        看來,一場大雨也足以改變世界。

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